(一)玉山金絲桃及其相關類群之親緣關係
nrITS 一共成功擴增 73 個個體,其中玉山金絲桃 (H. nagasawae) 有 69 個,能 高金絲桃 (H. nokoense) 有 2 個,短柄金絲桃 (H. taihezanense) 有 2 個。絕大部分 玉山金絲桃皆呈現單一條帶,僅有合歡山及能高越嶺之 3 個個體在特定位點上出現 2 種約略等高之波峰訊號,關山嶺山有 1 個個體在另一特定位點上出現 2 種約略等 高之波峰訊號。經重新 PCR 並反向定序之後確認以上 4 個體除了主要 ITS 單套型 外,確實尚具有另一種單套型,由於變異皆只有一個位點,因此未做殖株(clone)
分析。至於能高金絲桃的 2 個個體之 ITS 則與玉山金絲桃之主要 ITS 單套型相同,
玉山金絲桃與短柄金絲桃之間的 ITS 則有 15 個核苷酸置換與 1 段 indel。由於 ITS 無論在玉山金絲桃種內或玉山金絲桃與能高金絲桃種間皆不具解析力,因此未用於 後續分析。
葉綠體 DNA 選用 accD – psaI、trnE – trnT、rpl16 intron、trnV – trnM(包含 trnV intron)共 4 個片段以分析玉山金絲桃及其相關類群之親緣關係,外群選用同組的短 柄金絲桃。4 個片段皆成功擴增的個體,玉山金絲桃有 50 個,能高金絲桃有 4 個,
短柄金絲桃有 7 個。擴增成功的個體代號及對應之單套型見附錄二。
4 個片段合併後,玉山金絲桃有 11 種單套型,能高金絲桃有 2 種單套型,短柄 金絲桃有 4 種單套型。將具有相同單套型之個體以單一個體作為代表,玉山金絲桃 及能高金絲桃之 13 條序列排序後得到總長度為 3162 鹼基對(base pairs, bp),突變 形式為核苷酸置換(substitution)之變異位點(variable sites)共有 18 個,其中簡約 訊息位點(parsimony informative sites)有 16 個,singleton 有 2 個。Indel 共有 7 段,
長度從 1 – 19 不等,將連續之 indel 視為單一變異位點,可得到簡約訊息位點 5 個,
singleton 有 2 個。若將短柄金絲桃加入計算,17 條序列排序後得到總長度為 3198 鹼基對,突變形式為核苷酸置換之變異位點共有 36 個,其中簡約訊息位點有 31 個,
singleton 有 5 個。Indel 共有 14 段(長度:1 ~ 19),將連續之 indel 視為單一變異位 點,可得到簡約訊息位點 11 個,singleton 有 3 個。各單套型之變異位點見附錄三。
以 MP(圖二)與 NJ(圖三)建立之樹形顯示玉山金絲桃與能高金絲桃各自形成高 度支持之單系群。4 個片段無論分開或合併分析,種間皆無共享之單套型。
70
78 57
100
100
圖二、利用葉綠體 DNA 的 accD – psaI、trnE – trnT、rpl16 intron、trnV – trnM(包 含trnV intron)四片段,以 MP 建構玉山金絲桃及其相關類群之親緣關係。分支數 字代表 bootstrap 值,單套型編號為種小名+單套型流水號。玉山金絲桃、能高金絲 桃各自形成支持度良好之單系群。
CI (consistency index) = 0.852,RI (retention index) = 0.918。
nag: 玉山金絲桃 nok: 能高金絲桃 tai: 短柄金絲桃
nag: 玉山金絲桃 nok: 能高金絲桃 tai: 短柄金絲桃 87
54 70
100
75 100
圖三、利用葉綠體 DNA 的 accD – psaI、trnE – trnT、rpl16 intron、trnV – trnM(包 含trnV intron)四片段,以 NJ 建構玉山金絲桃及其相關類群之親緣關係。分支數字 代表 bootstrap 值,單套型編號為種小名+單套型流水號。玉山金絲桃、能高金絲桃 各自形成支持度良好之單系群,玉山金絲桃種內各單套型距離則十分接近。
(二)玉山金絲桃之族群遺傳結構 (1)遺傳組成
由於rpl16 intron 在前測的樣本中僅有 1 個位點的變異,trnV – trnM 全無變異,
因此族群遺傳之部分僅以accD – psaI 及 trnE – trnT 兩個基因間片段作為分析之用。
葉綠體 DNA 之 accD – psaI 及 trnE – trnT 兩個基因間片段共成功擴增 10 個族 群的 150 個樣本(採樣地點見表一、附錄一),經排序並去除前後雜亂序列後,得到 accD – psaI 基因間片段長度為 493-494 鹼基對,A+T 比例介於 72.82 – 73.28%之間,
共有 3 個變異位點,包含 2 個核苷酸置換及一個單一鹼基的 indel,組成 5 種單套型,
核苷酸岐異度(nucleotide diversity, π)為 0.00171,單套型歧異度(haplotype diversity, h)為 0.667。
trnE – trnT 基因間片段長度為 979 – 983 bp,A+T 比例介於 72.13 – 72.42%之 間,共有 5 個變異位點,包含 4 個置換及一段 4 bps 的插入(insertion),組成 5 種 單套型,π 值為 0.00081,h 值為 0.423。
將兩片段合併後,得到總長度為 1472 – 1476 bp,A+T 比例介於 72.49 – 72.62%
之間,顯示兩片段皆為 A\T rich 之片段(附錄四)。兩片段合併後,8 個變異位點共 組成 10 個單套型,π 值為 0.00111,h 值為 0.796。各單套型之變異位點組成見附錄 五,單套型及對應之個體見附錄六。
(2)最小關連網狀圖(minimum spanning network)與單套型
利用 TCS 1.21 軟體建構最小關連網狀圖(圖四),約略呈現不甚典型之星狀結 構,單套型 2 為 TCS 軟體給定之祖先型,以此為中心,單套型 1、9、10 為一分支,
單套型 3、5、6 為一分支。最末端的單套型 5、6、10 距離中心的單套型 2 皆為 3 步,而單套型 9 距離單套型 5 最遠,為 6 步,顯示各單套型間差異皆不大。
10
9
7 8
4
2 3
1
5
6
圖四、玉山金絲桃葉綠體 DNA 單套型之最小關連網狀圖。單套型 2 為 TCS 軟體給 定之祖先型,圓圈大小反應樣本數量,單套型 1-4 為主要單套型。差距一步(一個 變異位點)不表示。
(3)單套型在族群中的分佈情形
在 10 種單套型中,共有 4 種主要單套型(1 – 4)佔了所有樣本的 90%。數量 最多的是單套型 4,共有 42 個樣本,佔 28%,接下來依序為單套型 1、2,各 33 個 樣本(22%),單套型 3 共 27 個樣本(18%)。單套型 7、9 各有 4 個樣本,單套型 6 有 3 個樣本,單套型 8 有 2 個樣本,單套型 5、10 僅各有一個樣本。
TTK
SS
NG
PKT
DD
MB
PTW GSL
■ 1
■ 2
■ 3
■ 4
■ 5
■ 6
□ 7
■ 8
■ 9
■ 10
HH NH
圖五、玉山金絲桃各單套型在各族群數量之圓餅圖。淺綠色及深綠色各代表海拔 2300m 及 3000m 界線,右下角為全部樣本之圓餅圖。
沒有任何一種單套型普遍存在於所有族群。分佈最普遍的單套型為單套型 2 與 單套型 4,單套型 2 分佈於南湖大山、合歡山、能高越嶺、北丹大山、馬博橫斷共 5 個族群,單套型 4 分佈於合歡山、北丹大山、馬博橫斷、塔塔加、關山嶺共 5 個族 群;其次為單套型 1 與單套型 3,單套型 1 分佈於雪山地區、南湖大山、白姑大山;
單套型 3 分佈於南湖大山、合歡山、能高越嶺;單套型 5(僅單一個體)僅出現於 合歡山;單套型 6、單套型 7、單套型 8 僅出現於能高越嶺;單套型 9 與單套型 10
(僅單一個體)皆只分佈於北大武山。
以族群論,能高越嶺擁有最多種類的單套型,共 5 種,其中 3 種為特有之單套 型;其次為合歡山,共 4 種,包含 1 種特有之單套型;南湖大山擁有 3 種,皆為主 要之單套型,顯示該地區為一重要之基因交流之場所,北丹大山及馬博橫斷皆具有 2 種主要單套型;北大武山亦有 2 種,皆為北大武獨有之單套型;雪山地區及白姑 大山皆只有單套型 1,塔塔加及關山嶺皆只有單套型 5,顯示以上 4 個地區的族群呈 現僵化之狀態。各單套型在各族群之數量見表三,分佈見圖五,個體對應之單套型 見附錄六。
表三、玉山金絲桃各單套型在各族群之數量
SS NH PKT HH NG DD MB TTK GSL PTW
Hap_1 20 7 6 33
Hap_2 3 2 19 5 4 33
Hap_3 9 16 2 27
Hap_4 1 15 9 10 7 42
Hap_5 1 1
Hap_6 3 3
Hap_7 4 4
Hap_8 2 2
Hap_9 4 4
Hap_10 1 1
合計 20 19 6 20 30 20 13 10 7 5 150 SS:雪山 NH:南湖大山 PKT:白姑大山 HH:合歡山 NG:能高越嶺 DD:北丹大山 MB:馬博橫斷 TTK:塔塔加 GSL:關山嶺 PTW:北大武
(4)遺傳變異分析
使用DnaSP軟體計算 10 個族群的核苷酸岐異度(nucleotide diversity, π),得到 平均π值為(1.11 ± 0.05)×10-3。各族群之π值介於 0 ~ 1.05×10-3之間,南湖大山具 有最高之π值(1.05×10-3),其次為能高越嶺(0.77×10-3)、合歡山(0.48×10-3)。雪山 地區、白姑大山、塔塔加、關山嶺 4 個族群因只具有 1 種單套型,其π值皆為零。
各族群之π值見表四。
單套型歧異度(h)平均為 0.796。各族群之 h 值排序與 π 值排序相同,南湖大 山族群具有最高之h 值(0.65),其次為能高越嶺(h = 0.582)、合歡山(h = 0.363),
雪山地區、白姑大山、塔塔加、關山嶺 4 個族群之 h 值皆為零。各族群之 h 值見表 四。
各族群之 Tajima’s D test 及 Fu & Li’s test 結果列於表四,各族群僅有南湖大山 族群之 Tajima’s D test 為顯著正值,其餘皆未顯著偏離零,合併所有族群分析亦不 顯著,顯示玉山金絲桃之族群大小無明顯變化。
玉山金絲桃各族群間核苷酸置換之平均數的差異(dxy)介於 0~4 之間,雪山與 白姑大山族群因皆為單套型 1、塔塔加與關山嶺皆為單套型 4,中央山脈南段僅有單 套型單套型 2、4,因此 dxy 值為零或偏低,其餘兩兩族群間之 dxy 值大多在 1.5-3 之間。北大武與大多數族群之 dxy 值在 2.5 以上,顯示與其他族群差異最大。所有 族群之dxy 值列於表五。
表四 A、玉山金絲桃各族群遺傳變異分析(兩片段合併) ns: not significant (P > 0.1)
表四 C、玉山金絲桃各族群之 cpDNA trnE – trnT 基因間片段之遺傳變異分析 ns: not significant (P > 0.1)
表五、玉山金絲桃各族群間核苷酸置換之平均數。
對角線以上:族群間核苷酸置換之平均數(dxy, per sequence),
對角線:族群內核苷酸置換之平均數(dx, per sequence)
對角線以下:校正後族群間核苷酸置換之平均數(dxy – (dx + dy) / 2, per sequence)
SS NH PKT HH NG DD MB TTK GSL PTW SS 0 1.58 0 2.8 1.43 1.75 1.69 2 2 1.2
NH 0.81 1.54 1.17 1.13 1.29 0.96 1.1 1.01 1.13 1.31
PKT 0 0.81 0 2.8 1.43 1.75 1.69 2 2 1.2
HH 2.43 0.36 2.43 0.74 1.87 2.48 2.42 2.7 2.7 4
NG 0.87 0.22 0.87 0.93 1.13 1.38 1.33 1.63 1.63 2.61
DD 1.55 1.10 1.55 1.91 0.62 0.39 0.4 0.25 0.25 2.95
MB 1.46 1.01 1.46 1.82 0.53 0.024 0.46 0.31 0.31 2.89
TTK 2 1.54 2 2.33 1.07 0.053 0.077 0 0 3.2
GSL 2 1.54 2 2.33 1.07 0.053 0.077 0 0 3.2
PTW 1 1.81 1 3.43 1.84 2.55 2.46 3.0 3.0 0.4
SS:雪山 NH:南湖大山 PKT:白姑大山 HH:合歡山 NG:能高越嶺 DD:北丹大山 MB:馬博橫斷 TTK:塔塔加 GSL:關山嶺 PTW:北大武
(5)族群分化指數(FST)與基因流傳指數(Nm)
使用Arlequin 3.11 軟體計算兩兩族群間之族群分化指數與基因流傳指數,得到 平均遺傳分化值(mean FST)為 0.744,Nm值為 0.09。另分為兩部分計算:
1. 依稜線之鞍部或埡口海拔低於 2500 m 之處為界,將玉山金絲桃分為 5 個區域(圖 二)。除了雪山地區與白姑大山由於基因型相同,使得FST值為 0,以及中央山脈北 段與上述兩地區享有共同單套型而使FST值小於 0.5 外,其餘兩兩區域之間的FST值介 於 0.5180 ~ 0.9368,皆為高度分化。Nm值的部分,除了雪山地區與白姑大山外,其 餘兩兩間皆小於 1,顯示在區域間基因交流並不順暢。(表六A)
2. 將 10 個族群兩兩分別計算其FST值與Nm值,除了南湖大山及能高越嶺因具有較高 之h值,使得與其它族群比較時,部分FST值小於 0.5,以及雪山與白姑大山之間、中
央山脈南段各族群間享有同樣的單套型使FST值偏低,其餘大多數族群兩兩比較時 FST值大部分大於 0.5,Nm值大多小於 1,顯示多數族群間基因交流並不順暢。(表六 B)
表六 A、玉山金絲桃各區域遺傳分化及基因流傳。
對角線以下:FST,對角線以上:Nm
SS NCR PKT SCR PTW
SS NCR PKT SCR PTW